Мировые тенденции развития микропроцессорных птк

При выборе конкретного ПТК, обобщенная схема которого представлена на рис. 1, необходимо знать общие тенденции развития ПТК, чтобы не приобрести морально устаревший комплекс. Если выбранный ПТК удовлетворяет всем сегодняшним требованиям по автоматизации конкретного объекта, но он недостаточно современен, то это может в дальнейшем при его эксплуатации (а срок службы приобретаемого комплекса должен быть > 16 лет) привести к нежелательным последствиям:

• затруднениям при его модернизации, расширении, связях с другими средствами, приобретаемыми в будущем;

• недостатком возможностей при внедрении в дальнейшем более совершенных алгоритмов;

• повышенными затратами на его эксплуатацию.

Поэтому необходимо при оценке ПТК (на этапе выбора для заказа) иметь четкие представления о современности предлагаемых вариантов, а значит учитывать существующие мировые тенденции их развития.

Сегодня рынок средств промышленной автоматизации производства характеризуется:

- высокой конкуренцией сотен фирм, выпускающих однотипные средства автоматизации и распространяющих их в разных странах;

- наличием как очень крупных разработчиков средств, так и достаточно мелких системных интеграторов, зачастую предлагающих продукцию близкого качества;

• быстрым развитием микропроцессорных элементов, позволяющим производителям ПТК модернизировать технические средства каждые несколько лет;

• существованием международных организаций и объединений крупнейших фирм, работающих в области унификации средств автоматизации.

Все эти черты определяют основные свойства лучших выпускаемых программных и технических средств: они могут стыковаться со многими средствами старых, уже эксплуатируемых систем, сравнительно легко взаимодействуют с разными средствами других фирм, все более просты в разработке, внедрении и эксплуатации.

Дальнейшее углубление и совершенствование этих свойств прогнозируются и на ближайшие годы, чему способствуют основные направления развития программных и технических средств:

• международная типизация и стандартизация отдельных программных и технических средств, повышающая их качественный уровень и облегчающая взаимодействие средств разных фирм; типизация является основой развития и совершенствования всех видов средств, охватывая все большее число разных характеристик, имеющих важное значение для пользователей;

• открытость программных и технических средств разных фирм друг к другу, унифицирующая их интерфейсы; такая тенденция позволяет заказчику не быть заложником фирм, продукция которых уже используется на предприятии; при каждой модификации СА или их расширении благодаря этому свойству заказчик может выбирать новые средства из всего спектра продукции, представленного на рынке при условии наличия у новых и уже эксплуатирующихся средств от крытых интерфейсов;

• модульность построения отдельных средств, позволяющая производить сборку конкретных средств и систем с индивидуальными свойствами из набора типовых модулей; развитие этой тенденции наряду с открытостью и стандартизацией позволяет системным интеграторам собирать из готовых модулей разных производителей необходимые системы управления.

Все это приводит к простой и качественной интеграции разнородных средств и СА, что позволяет строить систему управления производством методом постепенного наращивания и стыковки отдельных частных систем.

На верхнем уровне управления (производством в целом) основой решения задач управления являются отдельные информационные сети, связывающие АРМ управляющего персонала на разных участках (мастеров, технологов, начальников цехов) с планирующими подразделениями. Эти сети взаимодействуют (или совпадают) с корпоративной сетью всего предприятия. На сегодня абсолютно доминирующим типом таких сетей является Ethernet (сеть шинной топологии, случайного метода доступа, длиною в несколько десятков километров в зависимости от физической среды передачи информации, со скоростью передачи данных 10 Мбод). Она используется и как сеть, связывающая отдельные пульты операторов ТП между собой, и как сеть, объединяющая плановые, диспетчерские, оперативные органы управления производством, и как корпоративная сеть предприятия. Развитие информационных сетей (ИС) идет в направлении создания все более высокоскоростных магистралей передачи информации. Сейчас разработаны и все шире используются (особенно при построении корпоративных сетей крупных предприятий) три типа магистралей:

• Fast Ethernet - шинная топология, случайный метод доступа, скорость передачи данных 100 Мбод;

• FDDI - топология типа "двойное кольцо", метод доступа - временной маркер, скорость передачи данных 100 Мбод;

• ATM - шинная топология, метод доступа - "точка к точке", скорость передачи данных – 155 Мбод.

Эти магистрали взаимодействуют с сетью Ethernet и постепенно заменяют ее при увеличении объемов информации, передаваемой по ИС в единицу времени. Последнее особенно актуально для корпоративных сетей, которые включают в себя ряд новых функций. Кроме информационной связи между различными производственными и хозяйственными подразделениями предприятия они обеспечивают работу местной АТС, охранно-пожарной сигнализации, видеосистем, инженерных обслуживающих систем. Сеть, интегрально обеспечивающая информационные связи этих служб, называют структурированной сетью предприятия. Узлы рассматриваемых сетей - АРМ управленческого персонала, серверы БД, приложений, складов данных, Web-серверы (последние обеспечивают выход корпоративных систем в Internet).

Наряду с типизацией ИС происходит типизация сетевых ОС, которыми оснащены ПК - узлы ИС. Лидерами таких ОС, требующих минимальных объемов памяти, являются: Windows NT; Netware 4.1; OS/2 LAN Server 4.0; Vines 5.54.

Большинство российских предприятий ориентируется на ОС Windows NT, которая стала фактически типовой ОС ИВС предприятий. То же самое происходит и с большими сетевыми СУБД, которыми оснащаются информационные (корпоративные) системы предприятий. Если еще несколько лет назад можно было говорить о лидирующем положении ряда конкурирующих СУБД: Oracle, Sybase, Informix, MS SQL-Server, Netware SQL, то в последнее время на роль типового лидера (для крупных предприятий) все более явно претендует СУБД Oracle, которая несмотря на сравнительно высокую стоимость имеет преимущества перед другими большими СУБД в виде важных для предприятий приложений.

Все большее внимание уделяется открытости различных программных продуктов. Это свойство реализуется через универсальные программные взаимосвязи, которыми оснащаются программы разных фирм. Наиболее распространенными видами таких взаимосвязей являются:

• типовой интерфейс общения ПрП друг с другом - OLE;

• межпрограммный протокол - DDE;

• протокол обмена с открытыми СУБД - ODBC;

• структурированный язык запросов к СУБД - SQL.

Наряду с этим открытость и простота получения данных в ИС достигается более широким внедрением Intranet-технологии. Она дает возможность любым конечным пользователям общаться с программами и БД с помощью гипертекста (как в Internet), что существенно сказывается на скорости внедрения и легкости эксплуатации ИВС.

На среднем уровне управления (цехом, участком, крупным производственным агрегатом) связующим звеном между контроллерами и пультами операторов является промышленная сеть, которая должна гарантировать не только обычные, предъявляемые к ИС, но и специфические требования доставки всех 100 %-ных сообщений в нужное место и в заданное время. Если ранее каждая фирма, выпускающая ПТК, разрабатывала свою закрытую для других контроллеров промышленную сеть, то в последние годы под нажимом заказчиков фирмы изменили свою политику, они стали ориентироваться на открытие своих промышленных сетей для аппаратуры других фирм. Постепенно выделилось несколько наиболее распространенных промышленных сетей, зарекомендовавших себя на практике с удовлетворительными для пользователей характеристиками, простотой обслуживания., надежностью работы (сети Modbus, Bitbus, Interims S, CAN и некоторые другие), которые приобрели характер типовых. Ими стали оснащать свои ПТК разные производители.

В последние годы появился стандарт: промышленная сеть Profibus, получившая признание ведущих фирм. Эта сеть имеет следующие характеристики:

• различная топология - шина, кольцо, звезда, дерево;

• два возможных метода доступа - передача маркера и ведущий/ведомый;

• три вида протоколов (DP - быстрая коммуникация, РА - повышенная безопасность, FMS - сложные задачи коммуникации);

• возможные физические среды передачи данных - экранированная витая пара, кабель, оптоволокно;

• физический порт - RS-485;

• длина сети: 9,6 км на витой паре и 90 км на оптоволокне;

• число узлов (станций) на сети - 32 на сегмент, 126 на всю сеть, которая может состоять из четырех сегментов;

• скорость передачи сообщений от 9,2 Кбод до 12 Мбод.

Используемая на среднем уровне управления аппаратура также достаточно полно типизирована. В качестве пультов операторов используются различные по мощности типовые ПК. Функциональные клавиатуры операторов, обычно включаемые в комплект пульта, есть в стандартном исполнении и все большее число фирм, вместо разработки оригинальной функциональной клавиатуры, включают в поставку ПТК ее стандартизированный вариант.

ОС пультов являются в зависимости от принятой архитектуры системы управления либо варианты типовых ОС Windows, либо широко распространенная ОС РВ QNX. Основное ПО пультов оператора и диспетчера, рабочих станций мастера и начальника цеха - SCADA-программа, реализующая основные функции визуализации измеряемой и контролируемой информации, передачи данных и команд системе контроля и управления.

С каждым годом уменьшается число фирм, которые сами разрабатывают для своего ПТК оригинальные SCADA-программы, и растет число специализированных фирм, которые выпускают открытые SCADA-программы, используемые практически с любыми ПТК. Открытость SCADA-программ обеспечивается рядом факторов:

• возможностью их работы в типовых операционных средах;

• наличием типовых программных интерфейсов (DDE, OLE, ODBS, SQL и др.), связывающих их с другими программами и СУБД;

• включением специальных драйверов для связи SCADA-программ с наиболее популярными контроллерами разных фирм (в ведущих открытых SCADA-программах имеется несколько сотен различных драйверов);

• присутствием в них особого инструментального средства для создания новых драйверов.

Открытость SCADA-программ достигается также путем использования специального достаточно нового стандарта - типового интерфейса общения между ПрП в промышленных СУ - ОРС. Наличие почти во всех последних версиях контроллеров и открытых SCADA-программах стандартного интерфейса ОРС позволяет непосредственно соединять их без разработки специальных драйверов.

Открытые SCADA-программы обладают преимуществами перед большинством закрытых программных продуктов этого же назначения, разрабатываемых фирмами, выпускающими ПТК. Эти программы более мощные, отличаются разнообразием возможностей, проще при проектировании ПТК и удобнее в эксплуатации.

Контроллеры - наиболее оригинальная аппаратура разработчиков ПТК - тоже претерпевают изменения в сторону все большей типизации. Имеющиеся стандарты шинной архитектуры компьютерных средств (стандарты VME, STDbus, Futurebus) позволяют не разрабатывать разные блоки контроллера, а собирать их полностью из готовых плат разных фирм, выпускающих продукцию по этим стандартам.

В дополнение к этому некоторые фирмы стали выпускать типовые мезонинные платы ввода/вывода. На такой плате устанавливается определенное число мезонинных (съемных) каналов ввода/вывода. Каждый канал может быть аналоговым, дискретным, импульсным и т. п. Благодаря этим возможностям можно собирать из готовых модулей различные контроллеры, структура и характеристики которых будут соответствовать требованиям автоматизации конкретного объекта, а также простой заменой определенных плат или еще более мелкой заменой каналов в мезонинных платах ввода/вывода в процессе дальнейшей эксплуатации переконфигурировать контроллеры в соответствии с изменяющимися свойствами объекта.

В качестве ОС контроллеров большинство фирм использует типовые системы: OS-9, OS-9000, VRTX, QNX, VxWorks, версии Windows, что позволяет не разрабатывать, а закупать имеющееся на рынке прикладное ПО для контроллеров.

Технологические языки программирования контроллеров, рассчитанные на специалистов по автоматизации, к середине 90-х годов были стандартизированы с помощью стандарта IEC 1131.3, определяющего структуру пяти технологических языков:

• лестничных диаграмм (релейных блокировок);

• функциональных блоковых диаграмм (конфигуратора с набором типовых программных модулей);

• последовательных функциональных схем (процедуры и транзакции);

• структурированного пакета (типа pascal);

• инструкций (создания процедур).

Идеология открытости средств автоматизации начинает воплощаться в контроллерах еще одним путем: некоторые фирмы стали выпускать контроллеры, которые позволяют любым пользователям через сеть собирать информацию с них простейшим гипертекстовым общением (аналогично работе пользователя в Internet).

Очень перспективной технически и выгодной экономически является связь интеллектуальных датчиков и ИМ с контроллерами через цифровую полевую шину. Это исключает искажения низковольтных аналоговых сигналов в цепях связи контроллеров с приборами, возникающие от различных промышленных электромагнитных помех; существенно экономит средства на кабельную продукцию, позволяя к одной шине подключать несколько приборов. Для соединения контроллеров ПТК с приборами разных фирм нужна стандартизация полевой шины. Такой типовой протокол — HART-протокол был создан, и фирмы, выпускающие ПТК и приборы, его поддерживают. Основные параметры HART-протокола:

• длина полевой шины - до 1,5 км;

• скорость передачи данных - 1,2 Кбит/с;

• число приборов, подсоединяемых к одной шине - 5... 15 (обычно до восьми).

HART-протокол позволяет:

• проводить удаленную настройку датчиков на нужный диапазон измерения через полевую шину;

• не подводить к датчикам отдельные линии электропитания и не иметь в них блоков питания, электропитание реализовывать через полевую шину от блоков питания в контроллере;

• увеличивать информационный поток между контроллером и приборами, в частности, при наличии самодиагностики в приборах передавать сообщения о неисправностях по полевой сети, а далее от контроллера оператору.

В последнее время наблюдается тенденция рационального использования микропроцессоров, встроенных в интеллектуальные приборы и в блоки ввода/вывода, что привело к появлению идеологии Fieldbus Foundation, ставящей своей целью перенос типовых алгоритмов переработки измерительной информации (фильтрации, масштабирования, линериализации и т. п.), регулирования (стабилизации, слежения, каскадного управления и т. п.), логического управления (пуска, останова, блокировки и т. п.) на самый нижний уровень интеллектуальных блоков ввода/вывода, датчиков и ИМ. Для реализации этой идеологии разработана новая типовая полевая сеть Fieldbus HI, которая завоевывает свое место в продукции разных фирм. Эта сеть реализует все функции, свойственные HART-протоколу, и кроме того, по специальным технологическим языкам общения с приборами позволяет через эту сеть программировать конкретные алгоритмы контроля и управления, реализуемые в приборах. Ее параметры мало отличаются от параметров современных типовых промышленных сетей:

• длина одного сегмента шины - до 1,5 км;

• скорость передачи информации по сети - 31,25 Кбит/с;

• число приборов, подключаемых к сети - до 32;

• метод доступа к сети - ведущий/ведомый.

Так, например, ПТК может быть собран следующим образом:

- сборка контроллеров под заданные конкретные свойства и параметры из стандартных плат VMEbus;

• помещение их в конструктивы Евростандарта, с заданными условиями окружающей среды;

• подбор в контроллеры мезонинных блоков ввода/вывода, соответствующих имеющимся на объекте датчикам и ИМ;

• использование промышленной сети Profibus DP;

• закупка пультов операторов — ПК требуемой мощности и необходимого промышленного исполнения под заданные условия окружающей среды;

• связь пультов операторов между собой и с корпоративной сетью предприятия по информационной сети Ethernet;

• применение типовых ОС для пультов операторов - Windows NT, для контроллеров - OS-9;

• использование типового прикладного ПО для пультов операторов - открытой SCADA-программы (например, FIX фирмы Intellution), для контроллеров - стандартизованных технологических языков (например, ISaGRAF фирмы CJ International).

Дальнейшее развитие ПТК должно привести к:

• возрастанию числа специализированных фирм, выпускающих не сами ПТК, а их стандартизированные программные и технические модули и отдельные элементы;

• увеличению числа и усилению роли системных интеграторов на рынке средств и СА;

• повышению качества, снижению стоимости и упрощению обслуживания отдельных программных и технических средств;

• упрощению всех работ по модернизации и расширению существующих систем контроля и управления на производстве;

• облегчению стыковки любых вновь закупаемых программных и технических средств автоматизации с имеющимися на предприятии.